（环境工程专业论文）微场条件下微氧活性污泥特性的研究.pdf

童鱼型垫奎堂婴壅生堂垡笙奎 删一 微磁场条件下微氧活性污泥特性的研究 摘要 活性污泥法因其运行方式灵活、运行费用低、对可生化性物质处理效果好 等优点而被广泛使用。但该法通常需要较高的溶解氧浓度( 2 。0 m g l 以上) ，导 致运行费用高。而较低溶解氧浓度下会发生污泥膨胀问题。本文研究微磁场作 用下微氧条件下( 溶解氧浓度低于1 0 m g l ) ，活性污泥的理化特性及处理效果， 以期为低溶解氧浓度下活性污泥的应用及降低运行成本提供参数。 首先通过实验确定微氧活性污泥中磁粉最佳投加量。结果表明投加量为 4 9 l ，对微生物有明显的促进作用，废水c o d c r 去除率达到最大值9 3 5 3 。 然后以厌氧污泥为种泥，考察了磁粉产生的微磁场对微氧活性污泥处理效 果及理化特性的影响。在磁粉添加量为4 9 l ，以葡萄糖模拟废水对污泥进行驯 化培养。结果表明在培养过程中与不加磁粉相比，添加磁粉反应器中c o d c ， 去除率明显高于对照组，而一个周期内p h 变化幅度更大。在微氧条件下，微 磁场影响下污泥具有良好的沉降性能，整个培养过程中，s v i 值均低于 1 0 0 m l g ，而无磁粉反应器中污泥结构松散，沉降性差，s v i 值高达2 0 0 m l g 以上，很容易随水流出反应器。添加磁粉反应器中污泥m l s s 明显高于无磁粉 反应器。通过测定污泥胞外多聚物( e c p s ) 总量、p n p s 、絮凝能力( f a ) 、 相对疏水性( r h ) 及表面电荷( s c ) 等指标考察微磁场对污泥絮凝性能影响， 结果表明，磁粉的存在大大提高了污泥的絮凝性能。 最后考察了微磁场作用下p h 冲击和毒性废水冲击对微氧活性污泥系统的 影响。结果表明磁粉的加入使得反应器具有良好的抗p h 冲击和毒性废水冲击 的能力，并且在恢复实验中c o d c ，去除率、污泥沉降絮凝性能等理化特性在短 时间内即可恢复至正常水平。 关键词：微磁场微氧活性污泥理化特性c o d c ，去除率 青岛科技大学研究生学位论文 s t u d yo nm i c r o o x y g e na c t i v a t e d s l u d g ec h a r a c t e r i s t i c sw i t h w e a km a g n e t i cf i e l d a bs t r a c t t 1 1 ea c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s sh a sb e e nw i d e l yu s e db e c a u s ei ti sf l e x i b l e ，l o wi nc o s t a n dw i t h o u ts e c o n d a r yp o l l u t i o n h o w e v e r , d u et oi t sr e q u i r e m e n to fh i g h e rd i s s o l v e d o x y g e nc o n c e n t r a t i o n ( h i g h e rt h a n2 0 m g l ) ，t h eo p e r a t i o nc o s tw a si n c r e a s e d t h e p r o b l e mo fs l u d g eb u l k i n gw o u l do c c u ru n d e re n v i r o n m e n t sw i t hl o wd i s s o l v e do x y g e n c o n c e n t r a t i o n t l l i sp a p e rs t u d i e dt h ep h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e so fa c t i v a t e ds l u d g ea n d i t st r e a t m e n te f f e c ti nt h ew e a km a g n e t i ce n v i r o n m e n tw i t hl o wd i s s o l v e do x y g e n c o n c e n t r a t i o n ( 1 0 w e rt h a n1 o m g l ) ，h o p i n gt op r o v i d ep a r a m e t e r sf o rt h ea p p l i c a t i o no f a c t i v a t e ds l u d g ei ne n v i r o n m e n t s 谢t l ll o wd i s s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o na n dt h e r e d u c t i o no fo p e r a t i o nc o s t f i r s t ，e x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e dt od e t e r m i n et h eo p t i m a ld o s a g eo fm a g n e t i c p a r t i c l e si na c t i v a t e ds l u d g ew i t hl o wd i s s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o n t h er e s u l t ss h o w e d t h a tad o s a g eo f4 9 lw i l lo b v i o u s l yp r o m o t et h ea c t i v i t yo fm i c r o o r g a n i s mw i t ht h e r e m o v a lr a t eo f w a s t ew a t e rc o d c r r e a c h i n gt h ep e a ko f 9 3 5 3 t h e n ，w i t ha n a e r o b i cs l u d g ea st h es e e ds l u d g e ，t h ep a p e re x a m i n e dt h ee f f e c to ft h e w e a km a g n e t i ce n v i r o n m e n tp r o d u c e db ym a g n e t i cp a r t i c l eo nt h et r e a t m e n te f f e c to f w e a ka e r o p h i l i ca c t i v a t e ds l u d g ea sw e l la si t sp h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e s t h eg l u c o s e s o l u t i o nw a su s e dt os i m u l a t et h ew a s t ew a t e rt oc u l t u r et h es l u d g ew i t ht h ed o s a g eo ft h e m a g n e t i cp a r t i c l eb e i n g4 班n er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h er e a c t o rw i t hm a g n e t i cp a r t i c l e s h a dah i g h e rc o d e rr e m o v a lr a t et h a nt h eo n ew i t h o u tm a g n e t i cp a r t i c l e s t h er a n g eo f v 撕a t i o nw i t h i nap e r i o di sl a r g e r i nt h ew e a ka e r o p h i l i ce n v i r o n m e n t t h es l u d g eu n d e r t h ei n f l u e n c eo fw e a km a g n e t i cf i e l dh a db e r e rs e t t i n gp r o p e r t yw i t ht h ea v e r a g ev a l u eo f s v il o w e rt h a n10 0 m l g i nt h er e a c t o rw i t h o u tm a g n e t i c p a r t i c l e s ，t h es l u d g eh a dal o o s e s t r u c t u r e ，p o o rs e t t i n gp r o p e r t ya n das v iv a l u eh i g h e rt h a n2 0 0 m l g i tw o u l db ev e r y e a s yf o ri tt oc o m eo u to ft h er e a c t o rw i t ht h ew a t e r 1 1 1 em l s so ft h es l u d g ei nt h e r e a c t o rw j i t hm a g n e t i cp a r t i c l e sw a so b v i o u s l yh i g h e rt h a nt h a ti nt h er e a c t o rw i t h o u t m a g n e t i cp a r t i c l e s t h ei n f l u e n c eo ft h em i c r o m a g n e t i cf i e l do nt h ef l o c c u l a t i o n c a p a b i l i t yo ft h es l u d g ew a si n v e s t i g a t e dt h r o u g ht h et e s t i n go ft h ei n d i c e ss u c ha st h e t o t a ld o s eo fe x t r a e e l l u l a rp o l y m e r s ( e c p s ) ，p n p s ，f l o e c u l a t i n ga b i l i t y ( f a ) ，r e l a t i v e h y d r o p h o b i c i t y ( i m ) a n ds u r f a c ec h a r g e ( s c ) a n ds oo n t h et e s t i n gr e s u l ts h o w e dt h a t 微磁场条件下微氧活性污泥特性的研究 t h ee x i s t e n c eo fm a g n e t i cp a r t i c l e sh a d g r e a t l yi n c r e a s e dt h es l u d g e sf l o c c u l a t i n ga b i l i t y i nt h ee n d ，t h ei m p a c to ft h ep hl o a d i n gs h o c ka n dt o x i cw a s t e w a t e rl o a d i n gs h o c k 0 1 1t h ew e a ka e r o p h i l i ca c t i v a t e ds l u d g es y s t e mw i t ht h ee x i s t e n c eo fm a g n e t i cf i e l dw a s t e s t e d t h er e s u l ts h o w s e dt h a tt h ee x i s t e n c eo fm a g n e t i cp a r t i c l e sh a dg i v e nt h er e a c t o r t h ea b i l i t yt oo f f s e tt h ei m p a c to ft h ep hl o a d i n gs h o c ka n dt o x i cw a s t e w a t e rl o a d i n g s h o c k i na d d i t i o nt ot h a t , t h ec o d c rr e m o v a lr a t e ，t h es l u d g es e t t i n ga n df l o c c u l a t i n g p e r f o r m a n c e 勰w e l la so t h e rp h y s i o e h e m i c a lp r o p e r t i e sw o u l ds 0 0 1 1r g t u l nt ot h en o r m a l l e v e li nt h er e c o v e r ye x p e r i m e n t k e yw o r d s ：w e a km a g n e t i cf i e l d m i c r o o x y g e n a c t i v a t e d s l u d g e p h y s i o e h e m i c a lp r o p e r t i ec o d c rr e m o v a lr a t e 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 废水处理方法 第一章绪论 水资源是人类必不可少又相对匮乏的资源之一，随着社会的不断进步，产生大 量的生活污水、生产废水，严重威胁人类的生存环境和身体健康，因此急需研究有 效的废水处理技术和方法。目前对于废水的处理方法主要有化学法、物理法、生物 法，以及这三种方法的结合【l j 。 废水的化学处理法是指通过化学反应和传质作用来分离、去除废水中呈溶解或 胶体状态的污染物或将其转化为无害物质的废水处理法。主要包括絮凝法、化学沉 淀法、中和法、氧化还原法、电解法、吸附法1 2 j 。 废水的物理处理法是指通过物理作用分离、回收废水中不溶解的、呈悬浮 状态的污染物的一种处理方法，可分为重力分离法、离心分离法和筛滤截留法。 生物法是利用微生物的代谢活动来降解水中污染物( 主要是有机物) 的一种处 理方法。根据污水处理生物反应器中微生物的生长状态，废水生物处理可分为 悬浮生长工艺和附着生长工艺。其中前者以活性污泥法为代表，微生物在曝气 池中以活性污泥的形式呈悬浮状态；后者以生物膜法为代表，微生物以膜状附 着在载体的表面上。 在废水浓度较低，可生化性较好的情况下，可直接采用生物法进行处理， 出水就能达到较好的效果。而如果废水中含有大量复杂有机物，则需要先经过 物化法预处理，再进入生物反应池。 目前在实际当中，活性污泥法因其运行方式灵活、运行费用低、无二次污 染等优点而成为被广泛应用的生物处理法之一。 1 2 活性污泥法研究现状 1 2 1 活性污泥法概述 活性污泥是指微生物群体以及它们所依附的有机物质和无机物质的总称。其中 微生物群体主要包括细菌、原生动物和藻类等。最早活性污泥的概念是由英国人 c l a r k 和c a g e 于1 9 1 2 年提出的，他们发现对废水进行长时间曝气会产生污泥并使水 质明显改善，通过进一步研究发现，由于实验容器清洗不干净，瓶壁留下的残渣反 而使处理效果提高，由此发现了活性微生物的菌胶团，并定名为活性污泥。 活性污泥中含有复杂的微生物，这些微生物与废水中的有机营养物形成复杂的 食物链，微生物以有机物作为食料进行代谢和繁殖，降低了废水中有机物的含量， 微磁场条件下微氧活性污泥特性的研究 从而达到处理废水的效果。最先担当净化任务的是异氧菌和腐生性真菌、细菌， 特别是球状细菌起着最关键的作用。高效运转的活性污泥，是以丝状菌为骨架 由球状菌组成的菌胶团，沉降性好，随着活性污泥的正常运行，细菌大量繁殖， 开始生长原生动物，是细菌一次捕食者。活性污泥常见的原生动物有鞭毛虫、 肉毛虫、纤毛虫和吸管虫。活性污泥成熟时固着型的纤毛虫、种虫占优势；后 生动物是细菌的二次捕食者，如轮虫、线虫等只能在溶解氧充足时才出现，所 以出现后生动物是处理水质好转的标志。 在国内、外废水处理方法当中，活性污泥法作为一个重要手段被广泛应用【3 巧】。 活性污泥法处理废水，主要是在微生物的作用下，使废水中的有机物迅速氧化、分 解，从而改变有机物的化学性质，将大分子有机物转变成小分子有机物或无机物， 使污水得到净化。活性污泥是活性污泥法处理系统的主体物质，该净化过程比较复 杂，涉及了物理、化学、物化以及生化反应等过程，大体可分为三个步骤 6 - 8 1 ： ( 1 ) 初期吸附去除阶段 在活性污泥系统内，污水和活性污泥刚开始接触的较短时间内( 般在3 0 m i n 之内) ，有机物可被大量除去。这种初期的高效去除率是由物理吸附和生物吸附共同 作用的结果。由于活性污泥的比表面积较大，上面存在着丰富的微生物，因此，活 性污泥具有很强的吸附能力。此时吸附速率主要取决于微生物的活性和反应器内水 力扩散程度。 ( 2 ) 微生物代谢阶段 活性污泥中的微生物以污水中的有机物作为营养物质，在有氧的条件下，将其 中一部分有机物合成新的细胞质；而另一部分则进行分解代谢，即氧化分解以获得 合成新的细胞所需要的能量，并最终转化成c 0 2 、h 2 0 等无机物质。其中微生物的 代谢过程如图l 一1 所示。 2 青岛科技大学研究生学位论文 + + 0 2 内源 图l 1 微生物代谢模式图 f i g 1 - 1m o d e ld i a g r a mo f m i c r o b i a lm e t a b o l i cp r o c e s s ( 3 ) 絮凝沉降阶段 污水中的有机物通过生物降解，一部分氧化分解成c 0 2 和h 2 0 ，一部分合成细 胞物质形成菌体。形成的菌体必须从水体中分离出去，这样净化处理才算完成。由 于形成的菌体一般比较松散，呈悬浮状，因此该过程一般要借助外力，使菌体形成 较大絮体，从而在废水中沉降去除。 1 2 2 影响活性污泥处理效果的因素 1 2 2 1 溶解氧 由于参与污水活性污泥处理的微生物种群以好氧菌为主体，因此保持一定浓度 的溶解氧浓度是非常重要的。如果溶解氧浓度过低，供氧不足，会使微生物的代谢 活动受到影响，微生物的净化功能降低，容易发生污泥膨胀7 】；但是如果溶解氧浓 度过高，氧的转移效率降低，能耗费用就会相应大大增加 8 】。 1 2 2 2 温度 由于活性污泥中微生物的活性与周围环境的温度关系密切，所以温度也是影响 微生物正常代谢的重要因素之一。一般在1 5 3 0 。c 的范围内，微生物活动最旺盛，在 此范围之外，微生物的代谢活动就会受到抑制p j 。 1 2 2 3p h 值 微生物的生理活动与环境的酸碱度也有很大关系，只有在适宜的p h 值条 件下，微生物才能进行正常的生理活动。参与污水生物处理的微生物，一般最 佳的p h 值范围，介于6 5 8 5 之间【1 0 1 。 1 2 2 4 营养物质 3 微磁场条件下微氧活性污泥特性的研究 活性污泥中的微生物，在其生命活动过程中，需要不断地从周围环境即污水中 吸取其所必须的营养物质，包括碳源、氮源、无机盐类以及某些微量元素等， 待处理的污水中必须充分含有这些物质。 碳是构成微生物细胞的重要物质，参与活性污泥处理的微生物对碳源需求 量较大，一般以b o d 5 计，不应低于1 0 0 m g l 。生活污水碳源比较充足，对于 一些碳源不足的工业废水则需要补充碳源。氮是组成微生物细胞内蛋白质和核 酸的重要元素，氮源可来自n 2 、n h 3 、n 0 3 等无机含氮化合物，也可以来自蛋 白质以及氨基酸等有机含氮化合物。生活污水中氮源充足，不需要另行投加； 工业废水则应考虑含氮是否充足，必要时可投加尿素、硫酸铵等。磷是合成核 蛋白、卵磷脂以及其他磷化合物的重要元素，在微生物的代谢和物质转化中起 重要作用。辅酶i 、辅酶i i 、磷酸腺苷等都含有磷。微生物主要从无机磷化合 物中获取磷。磷源不足将影响酶的活性，从而使微生物的生理功能受到影响。 1 2 2 5 有毒物质 有毒物质是指对微生物生命活动具有抑制作用的某些无机质及有机质，主 要包括重金属离子( 如锌，铜，镍，铅，铬等) 和一些非金属化合物( 如酚， 醛，氰化物，硫化物等) 。有毒物质对微生物毒害作用存在一个量的概念，只 有当有毒物质在环境中达到某一浓度时，毒害和抑制作用才显现出来。污水中 的各种有毒物质只要低于这一浓度，微生物的生理功能基本不受影响。有毒物 质的作用还与p h 值、水温、溶解氧、有无其他有毒物质、微生物的数量以及 是否经过驯化等因素有关。 1 2 3 活性污泥法发展现状 1 2 3 1 国内活性污泥法的应用 活性污泥法是一种应用广泛的生物处理工艺，具有处理能力高、出水水质 好等优点。 随着我国污水处理的新技术和再生水回用的新技术的不断进步，某些项目 己经达到国际先进水平。同时，许多国外污水处理新技术、新工艺、新设备被 引进到我国，在活性污泥法工艺应用的同时，a b 法、a 0 法、a a o 法、c a s s 法、s b r 法、氧化沟法、稳定塘法、土地处理法等也在污水处理厂的建设中得 到充分应用，从而加快了我国城市污水处理厂的建设速度。一批大型的城市污 水处理厂利用国外贷款项目相继建成投产，例如我国2 0 世纪最大的污水处理 厂一高碑店污水厂，处理规模一期5 1 0 4 m 3 d ，二期达到1 1 0 6 m 3 d ，天津东郊 污水处理厂，处理规模为4 1 0 4 m 3 d ，成都、杭州、沈阳、郑州这些大型污水 处理厂的建设标志着我国污水处理事业的不断壮大【1 1 1 。 4 青岛科技大学研究生学位论文 活性污泥法是世界上所有国家和地区8 0 以上城市污水处理厂普遍采用 的方法，而且大都采用传统或阶段曝气式活性污泥法处理系统，近年来新建的 城市污水处理厂仍然以这种工艺方法为主。实践表明，活性污泥法是当前最有 效最可行的城市污水处理工艺。根据目前我国的国力和科技水平，我国城市污 水处理厂的主体工艺仍然是传统的活性污泥法，并逐步向大型化发展。尤其是 北方寒冷地区，由于气候因素，不适合采用生物滤池与生物转盘等不耐寒的生 物处理系统。相对来说活性污泥法比生物膜法及氧化沟法等其他生物处理方法 更适用于寒冷地区。 1 2 3 2 活性污泥法的改进 ， 活性污泥法是处理工业污水广泛使用的方法，因其运行方式灵活，工作效 率高，日常费用低，很少二次污染而被国外广泛采用。现在美国拥有活性污泥 法城市污水处理厂2 2 6 0 0 座，英国约有8 0 0 0 余座，法国有将近6 5 0 0 座，瑞士 近5 0 0 0 座，而且这样的污水处理厂无论在规模上还是在数量上都在持续发展。 国外在活性污泥法技术改造方面进行了大量实验研究【l 厶1 6 】，主要体现在以 下几个方面： ( 1 ) 生物技术的改进 a a o 工艺将生物脱氮、生物除磷综合到了同一活性污泥系统中，是生物 脱氮和生物除磷的最初结合点。a a o 工艺是美国a i r p r o d u c t s 公司的专利， 但在生物脱氮除磷领域很快被其他很多专利工艺所取代。对a a o 工艺的改进 基于生物脱氮除磷的大量基础研究，改进的目的集中在消除脱氮与除磷的相互 干扰，提高脱氮除磷效率、降低运行费用等方面。 o w a s a 是美国工艺，特点是初沉污泥经发酵之后，进行重力浓缩，上清 液进入曝气池的厌氧或缺氧段。n t h 是挪威工艺，特点是将初污泥首先进行浓 缩，将浓缩后的污泥在温度1 0 0 1 8 0 下进行热水解，之后再进行离心分离， 将分离液回流至曝气池的缺氧段。挪威污水的b o d 5 极低，脱氮所需v f a 严重 不足，而热水解可提供较大的量，能满足脱氮需要。 h y r o n c e p t 是一种丹麦工艺流程。当采用前置化学除磷时，初沉池出水中的b o d 5 会大大降低，必定满足不了后续脱氮的需要，因而必须将初沉污泥进行发酵，并离 心浓缩，将富含v f a 的离心液回至反硝化区。 u b c 是加拿大工艺，其特点是初沉污泥经发酵后，将部分污泥回至初沉池 前端，另一部分去污泥处理区，不设发酵污泥的浓缩单元。实际上，回至初沉 池的发酵污泥在沉淀过程中，将v f a 与污水充分混合，进入后续脱氮除磷系 统。在u b c 工艺中，初沉池代替了浓缩单元。e a s c 出现于德国，称之为延时 厌氧污泥接触工艺。其特点是回流污泥排至初沉池，初沉污泥排入曝气池。在 微磁场条件下微氧活性污泥特性的研究 e a s c 工艺中，回流污泥中的硝酸氮和d o ，入流污水中的硝酸氮等均将在初 沉池被消耗掉，从而不影响后续的脱氮除磷。同时，初沉污泥中的v f a 进入 曝气池后，也能补充脱氮除磷所需的磷源。 另外，还有一些脱氮除磷工艺，虽然机理上并无新意，但却能降低系统的 总水力停留时间，节省投资。如多级串联脱氮工艺以及r d n 工艺等，多级串 联生物脱氮工艺有两种：c a s c a d e n d n 工艺和c a s c a d ed n n 工艺。前者为多级 串联的后置脱氮工艺，不需内回流，但需多点进水运行。后者为多级串联的前 置脱氮工艺，每一级均需设置内回流。r n d 是捷克开发的一种工艺，特点是在 a o 脱氮系统中，增设一个污泥再曝气池，增大了系统的好氧污泥龄。在同样 的脱氮效率下，r n d 较a o 水力停留时间可缩短，从而使投资节省。 ( 2 ) 运行方式的改进 s b r 是间歇运行的活性污泥工艺，曝气和沉淀在同一池内完成，省去了二 沉池和回流系统，使运行简单化。最初的s b r 系间歇进水间歇出水运行。后来， 在反应器内加入前置区，实现了连续进水间歇出水运行。这一改进的目的是为 脱氮除磷过程补充碳源，另外兼有抑制丝状菌增长的作用。对应的工艺有c a s s 和i c e a s 。c a s s 为周期循环活性污泥系统，是t r a u s e n v i r o 公司的专利工艺。 c e a s 为间歇循环延时曝气系统，是a b j 公司的专利工艺。这两种工艺的本质 特征都是连续进水间歇出水，属同一种工艺。另外还有多种s b r 工艺都是在曝 气设备和洋水器上作了改进，运行方式上与最初s b r 一致。t 型氧化沟是另外 一种间歇运行方式，两个边沟周期性地处于曝气和沉淀状态，因此也省去了二 沉池和回流系统，通过合理调整运行周期和程序，t 型氧化沟也可进行硝化和 反硝化。 1 2 4 活性污泥法存在的问题 随着传统活性污泥法处理废水技术在实际工程中的广泛应用，人们发现传 统的活性污泥法存在很多缺点，如污泥膨胀、废水处理建筑物占地面积大、运 行管理费用高、电力消耗大、污水处理能力有限等。 1 2 4 1 污泥膨胀 污泥膨胀问题是自活性污泥法产生以来一直难以解决的问题之一，基本上 国内采用传统活性污泥法的污水处理厂都发生过污泥膨胀现象。根据对国内外 活性污泥法工艺调查发现，无论传统的活性污泥系统还是生物脱氮除磷工艺都 会发生活性污泥膨胀【1 7 。2 0 1 。活性污泥膨胀现象主要表现为污泥结构松散、质量 变轻，沉淀压缩性能变差；s v 值增大，有时能达到9 0 以上，s v i 可达到3 0 0 m l g 以上；反应器运行时污泥流失严重，二沉池出水浑浊，并且难以泥水分离，回 6 青岛科技大学研究生学位论文 流时污泥浓度较低，难以保证曝气池的正常运行。一般情况下，污泥s v i 值在 5 0 1 5 0 m l g ，发生污泥膨胀时，上清液减少，s v i 值升高。此时，膨胀的活性 污泥不易沉淀，回流污泥量不足，若不及时解决，会导致反应池污泥越来越少， 从而破坏整个体系的运行。要使传统活性污泥法成为实用的污水处理方法，活 性污泥除了要有良好的降解有机物的能力外，也要同时具有良好的沉降和絮凝 性能，这样才能使污泥从泥水混合液中分离出来，得到澄清的出水。 污泥膨胀的产生原因有很多解释，多数学者认为可分为丝状茵膨胀和非丝 状菌膨胀【2 。在实际运行当中，丝状菌膨胀占大多数，约在9 0 左右，而非丝 状菌膨胀仅在1 0 左右。丝状菌膨胀是在低溶解氧和低有机物浓度的污泥中丝 状菌过度繁殖的现象。研究表明【2 2 1 ，溶解氧过低是引起污泥膨胀，尤其是丝状 菌膨胀的主要原因。废水的p h 值和水温等其他条件也会对活性污泥膨胀有影 响。 1 2 4 2 活性污泥浓度低 在实际应用中，人们都希望活性污泥有较高的污泥浓度，于是通过各种途 径来提高污泥浓度，但是效果都不理想。污泥浓度难以提高的原因有很多，主 要原因包括：一是曝气过度，溶解氧值太高；二是进水底物浓度太低；三是进 水中含有过高的有毒或抑制类物质；四是营养盐投加不足。 1 2 4 3 废水处理能力受到限制 随着合成工业的发展，城市废水和一些工业污水中难生物降解的污染物质 含量越来越高，从而导致废水的生物处理效率明显降低。近年来国内外许多学 者对废水的可生化性进行了大量的试验研究，目的是寻找提高废水生物处理效 率的方法。生物法废水处理反应器中有净化功能的就是含有大量微生物和细菌 的菌胶团，菌胶团的量越大，废水处理过程中降解有机物的能力就越强。 要想提高反应器处理废水的能力，一是要提高活性污泥的浓度，二是要增 大反应器的容积，这在传统活性污泥处理技术中完全实现是有一定困难的。 1 3 溶解氧对废水处理的影响 生物的好氧氧化包括两个部分：在有氧条件下，异养菌利用含碳有机物， 并将其降解为c 0 2 和h 2 0 ；自养菌利用氨氮将氧转化为n 0 3 n 和n 0 2 n 。其 需氧量也包括有机物氧化和氨氮氧化两个部分。一般认为当有机物氧化和氨氮 氧化同时存在时，溶解氧的浓度需要大于2 m g l 才能满足降解要求【2 引。 污水处理厂采用活性污泥法处理废水时，6 0 以上的运行费用都来自供氧 耗电【2 4 1 ，如果能在低溶解氧条件下运行，就可以大大节省运行费用，提高污水 7 微磁场条件下微氧活性污泥特性的研究 处理厂经济效益。而低溶解氧容易引起丝状菌污泥膨胀【z 引，虽然丝状菌是好氧 菌，而大部分好氧茵在低溶解氧条件下几乎无法生存，但是由于丝状菌具有较 长的菌丝，比表面积大，与其他微生物相比，更容易夺得溶解氧进行生长繁殖， 因此丝状菌在低溶解氧条件下可以优先生长，引发丝状菌污泥膨胀。 在微氧条件下，污泥中存在许多微环境，使得微生物的种类大大提高，不 论厌氧菌、好氧菌还是兼性菌都可以生存，从而促进废水中的有机物更彻底的 得到净化。 1 4 磁生物技术 磁生物技术是基于磁生物效应的一种技术，是指在目前应用比较成熟的微生物 处理技术中引入磁场，利用磁场对微生物产生正的磁生物效应来提高生化反应速率， 从而达到较好的处理效果。任何生物体都带有各自的生物电或因含有磁性物质而具 有磁性，磁场对于磁性物质会产生力的作用。因此外加磁场、环境磁场和生物体内 的磁场都会对生物的组织和生命活动产生影响，称为磁场生物效应。这种磁场生物 效应的性质和强弱既同磁场的性质和强弱有关，也同生物的种类和受磁场的组织等 有关【2 6 1 。目前国内j l - 对磁生物技术的研究己逐渐发展起来【2 7 铷】。 1 4 1 磁生物效应的作用机理 1 4 1 1 磁致水效应 国内外有许多学者对磁场处理水的物理性质做过反复的对比试验，发现磁场处 理水的渗透压、表面张力、粘滞系数、p h 、介电常数和电导率等均有不同程度的变 化【3 1 3 2 1 。磁场处理会破坏水中原来的团簇结构，使较大的缔合水分子集团变小，甚 至产生单个的水分子，从本质上来讲，磁场处理使得水分子间的氢键遭到破坏。自 来水渗透压为9 5 1 7 5 m m h 2 0 ，而经磁场处理后渗透压升至为1 0 6 1 9 4 m m h 2 0 ，升高 了1 1 l l g m m h 2 0 ，这恰恰说明磁场作用下水的结构发生变化，较大的水分子簇断裂 成较小的分子簇或单个水分子，水的渗透压因此明显升高。 1 4 1 2 磁致蛋白质效应 蛋白质是构成生物体的重要组成部分，是由多种氨基酸组成的生物大分子，与 生物的生长代谢和繁殖等生命活动具有密切联系。酶也是蛋白质，酶在细胞的正常 代谢过程中是十分重要的，酶活性的改变会对生物的生理活动产生很大影响。一些 蛋白质和酶含有少量的如铁、钴、锰等过渡金属元素，在一定条件下具有顺磁性， 这些金属原( 离) 子的活性部位又常常是酶的活性中心，外加磁场可以通过影响这 些原( 离) 子，从而影响酶的活动。磁场对微生物酶( 包括离体酶) 活性的影响相 当明显。 青岛科技大学研究生学位论文 k o n e r a c k a t 3 3 】用磁性粒子固定一些蛋白质和酶，发现其活性可保持在原活性的 9 0 以上。麻海珍【3 4 】在p h = 8 条件下，发现磁性固定化紫色非硫光合细菌( p s b ) 脱 氢酶比未磁化的固定化脱氢酶活力提高约2 0 ，并且磁性酶在5 0 一6 0 仍能保持 一定活力，而未磁化酶几乎完全失活，磁化酶对温度的稳定性提高。张吉先等【3 5 j 研 究了磁场对土壤微生物和酶活性的影响，发现适当的磁场( 0 1 5 0 3 5 t ) 作用可使土 壤呼吸作用增强，放线菌菌落数增加，转化酶和磷酸酶活性提高；而细菌生长和过 氧化物酶的活性受到一定的抑制。张军等d 6 j 发现磁场会使过氧化氢酶( c a t ) 的构 象产生变化，c a t 酶经0 。2 3 t 磁场处理，相对平均活力有一定的升高，并且温度不 同，活力增加幅度不同，2 5 酶活力变化较1 5 酶要明显。张军p ，j 还研究了经0 6 1 t 磁场处理1 h 所得磁化过氧化氢酶的滞后活力的变化。磁化酶在放置过程中，活力下 降要慢于天然酶，相对活力随滞后时间的延长而增加，活力变化曲线的线型随磁感 应强度增加而呈现规律性变化。 磁场对酶的影响可能是改变了酶的构象形式。安燕【3 8 】等通过研究表明：不同磁 感强度( 1 0 3 5 0 m t ) 处理下酪氨酸酶( t y r ) 酶活性均有提高，荧光发射光谱分析 表明，磁化酪氨酸酶的荧光强度增强，构象发生了变化。林沁瑛p 9 】认为，磁力线对 蛋白质中某些基团的扰动和对其共轭结构中自由电子跃迁的影响，使分子的内部运 动形式不同于寻常状态，造成一定时间内活性部位构象微区性发生扰动，并形成某 些具有更高活力的构象形式，使酶的活力提高。而酶活力的波动性和最终完全恢复 的情况又表明：微生物蛋白质( 酶) 结构并未被破坏，而仅是发生了某些可逆性的 变化。贺华君m 】也认为磁场能影响酶的构象，并且酶的构象变化与温度、介质、磁 化时间、场强等有关，而且构象变化的同时往往伴随着酶活力的变化。王山杉【4 l j 等 对近年来国内外关于脉冲磁场和恒定磁场对于生物体内各种酶的活性、构象、酶促 反应动力学的效应的研究进行了综述。得出以下结论：在恒磁场的实验中，以小于 4 0 0 r o t 的低磁感强度对酶处理数分钟至数小时后，常会对酶的活性起到促进作用， 而脉冲磁场的效果则没有一定的规律。酶活性的改变主要源于其分子构象的改变， 构象的变化也与场强、温度、处理时间、介质等许多因素相关。磁场下酶促反应动 力学的改变与酶分子、底物分子和介质的变化都相关。 1 4 1 3 磁致生物膜效应 生物膜是由蛋白质和类脂双分子层等组成的双层结构物，对稳定细胞的内环境 起着非常重要的作用。细胞膜是一种选择通透性屏障，通过不同方式的物质跨膜运 动，产生并维持了膜两侧不同物质的浓度分布。对某些离子来说，这一差异性的物 质跨膜运动就形成了膜两侧的电位差，细胞膜电位具有重要的生物学意义。细胞膜 对n a + 、k + 、c a 2 + 等有主动和被动运输作用。这些离子是细胞代谢、能量交换、细 胞兴奋和抑制的基础。因而生物膜对离子的主动和被动运输作用对生物的新陈代谢 9 微磁场条件下微氧活性污泥特性的研究 和能量转换具有重要作用。而外加磁场能改变交换物质中带电离子的受力作用，因 而影响对生物膜的渗透能力，即对生物体内的新陈代谢作用和生物化学反应速度产 生影响。 范寰掣4 2 】研究了直流稳恒磁场对酸胁迫作用下悬浮培养南方红豆杉细胞生长和 代谢的影响。结果表明，磁场提高了红豆杉细胞的抗酸胁迫能力，并认为磁场加快 离子的跨膜运输，很可能是磁场增强红豆杉细胞抗酸胁迫能力的原因之一。而无论 是胞外的h + 进入胞内，还是胞内碱性物质向胞外分泌，磁场的作用均使其得到加速。 姜常珍【4 3 】等研究了轴对称e l f 磁场作用下球细胞的感应电场和跨膜电位，并通 过相关实验讨论了磁场对c a 2 + 的影响，对不同磁场激励模式、不同频率下的跨膜电 位进行了仿真模拟。结果显示，e l f 磁场可以改变球细胞的跨膜电位，并与频率相 关。 1 4 1 4 磁致生物分子结构效应 生物体中含有结构复杂的生物大分子，它们既具有化学键能较高的稳定的基本 结构，也具有化学键能较低的较不稳定的高级结构。如d n a 或r n a 具有靠氢键等 次级键作用形成的三维结构，而这些弱作用力容易受到外界的干扰，在磁场作用下， 结构也会发生相应变化。 n o v i k o v 删等将稳恒磁场和交变电磁场作用于腹水癌细胞，发现可使其d n a 失 去稳定性。黄德盈【4 5 】等发现经磁场作用过的d n a 区段内产生了新序列，证明了磁 场作用能引起d n a 突变。 但另外一些研究结果却与此不同：m a h d i 删等研究表明，d n a 在磁场作用下性 能稳定；另外k a z u h 打on a k a m u r a d 7 】等的研究表明新植入菌体内的d n a 在强磁场作 用下也是稳定的。这也显示出磁场生物效应的复杂性，不同的磁场条件可能导致截 然不同的效果。 1 4 1 5 磁致生物自由基效应 自由基是带有孤对电子的原子或原子团，具有较大的化学活性。在许多生命活 动中都伴随有自由基的产生、变化或消失。细胞的程序化死亡，光合作用，种 子萌发过程中过氧化物酶体的活动等生命活动中都有自由基的活动。自由基带有 未抵消的电荷和自旋磁矩，因此在外加磁场作用下，自由基会受到l o r e n t z 力的作用， 自旋磁矩又会受到磁力的作用，外加磁场也就通过自由基影响了生物的生理活动。 杨修益【铝】等用旋转磁场作用于离体血液的研究显示，超氧化物歧化酶活性明显升高， 而过氧化脂质明显降低，说明磁场具有抑制自由基，增强抗氧化能力的作用。 1 4 2 影响磁生物效应的因素 对磁场生物学效应有影响的磁场因子主要有：磁场类型、磁感应强度、均匀性、 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 作用时间、方向掣4 9 1 。 1 4 2 1 磁场类型 磁场可分为稳恒磁场和交变磁场，恒磁场和变磁场的生物效应既有相同之处， 也存在差异。变磁场分为三类，即：磁场的强度和方向规律变化的交变场，磁感强 度规律变化而方向不变的脉动场以及用间歇振荡器产生间歇脉冲电流后将这种电流 通入电磁铁线圈而产生的脉冲磁场。变磁场因低频高频、连续断续、脉冲调制的不 同而生物效应不同。张t 5 0 】等在研究恒磁场对细胞分裂影响时发现，用0 6 t 磁场 处理2 d 后的脉冲标记法显示，实验组的标记指数在细胞离开磁场时明显高于对照组 8 2 9 。m i nw e i t 5 1 】等采用6 0 h z ，o 3 1 2 g s 正弦磁场作用3 - 7 2 h ，能够引起星状胶质 细胞增殖增加，且具有剂量依赖性。稳恒磁场又称为静磁场，其磁场的强度和方向 保持不变，是最基本的磁场类型，适合做基础性的研究，目前常用的稳恒磁场发生 装置是永磁铁和通电螺线管。 1 4 2 2 磁感应强度 磁场对生物的影响与磁场( 感) 强度有较大关系，磁场( 感) 强度不同，表现出的生 物效应可能也不同。随着强度的变化，生物效应可以表现为促进、抑制、致死或无 作用。磁场对生物的作用可能存在临界场强范围，即阈值。超过一定的阈 值则表现为另一种生物效应。弭晓菊【5 2 】等用7 种强度的磁场处理番茄种子，观察幼 苗过氧化氢酶和过氧化物酶活性的变化时发现，磁感强度在1 0 0 0 2 0 0 0 g s 范围内， 种子发芽率最高，两种酶的活性最高，磁感强度高于3 0 0 0 g s 时，酶活性下降。 1 4 2 3 均匀性 磁场的均匀与否，所产生的生物效应也可能随之改变。s h i n i c h i r o t 5 3 】等研究发现， 5 2 6 1 t 的非均匀磁场抑制细胞死亡，培养温度、培养液的组成及磁场作用时间对 磁场的生物学效应产生明显的影响。当培养温度为3 7 时，衰亡期磁场作用下的细 胞数量为对照的3 倍，当培养温度为4 3 c 时，细胞数量继续增加。将培养液稀释3 倍，并添加谷氨酸使其浓度为1 5 l ，再研究磁场对细胞死亡的抑制作用，结果显 示磁场作用下细胞数量为对照的1 0 巧倍。 1 4 2 4 作用时间 磁场的作用时间也是影响磁场生物效应的重要方面，当磁场的各种物理学参 数一定时，作用时间不同，所产生的生物效应可能出现明显的不同。陈树德阱】等检 测了脉冲磁场作用对人表皮细胞增殖的影响。实验发现，脉冲磁场对人表皮细胞作 用l m i n 和5 m i n 均产生了促进细胞增殖的效应，而较长时间( 1 0 3 0 m i n ) 贝l j 会抑制细胞 的正常增殖。 1 4 2 5 磁场方向 磁场是矢量场，有方向的不同。对于某些生物，磁场方向改变可能带来不同类 微磁场条件下微氧活性污泥特性的研究 型的生物效应或不同大小的生物效应。由于磁场或磁场梯度的矢量性质，他们所引 起的物理效应，例如，有磁场或磁场梯度产生的作用力、作用力矩、感应电动势、 磁